16. Turbulentni profili

RAZDELITEV TLAKA PRI NIZKEM RE ŠTEVILU
Vzrok za nastanek ločitvenega mehurja je sprememba zračnega tlaka, ki vpliva tudi na vzgon. To spremeni učinkovito obliko krila, ker se glavni tok prilagodi tem spremembam. Temu primerno se spremeni tudi oblikovni upor. Ta efekt je najbolje viden s poskusi v vetrovniku. K. Kraemer je leta 1961 objavil izsledke za takrat popularen profil Göttingen 801. Nekaj povzetkov prikazujejo risbe. Kasnejše raziskave so te rezultate le še podkrepile. V diagramu je tlak v vsaki točki na zgornji in spodnji strani risan vzdolž tetive profila in pri različnih vpadnih kotih. Za doseganje določenega vzgona morajo biti stalne razlike med obema površinama. Na risbi je tlak risan kot razmerje med lokalno vrednostjo tlaka in tlakom glavnega toka.

Merjenje tlaka na profilu Göttingen 801 pri Re številu, ki je višji od kritičnega.

Da je razmerje zmanjšano v obliko koeficienta je rezultat deljen z 1/pV2. Zmanjšan tlak na zgornji površini je narisan kot serija krivulj na negativni strani grafa, povečan tlak na spodnji strani pa na pozitivni strani. Črta 0 na diagramu predstavlja tlak v glavnem zračnem toku. V zastojni točki na prednjem robu profila je najvišji tlak, zato se tudi krivulja zelo strmo dvigne, čeprav to na grafu ni najbolje prikazano. Če ima profil vpadni kot 6°, tlak na zgornji strani pade na najnižjo vrednost na globini približno 15 % globine profila, od tam naprej pa tlak počasi narašča do zadnjega roba. Hitrost toka se zelo hitro poveča, nato pa počasi pade. Krivulja za vpadni kot 6° na spodnji strani ne prikazuje celotnega poteka. Na zastojni točki tok zelo hitro pospeši in daje ostro negativen tlak na zgornjo stran grafa, kar ni prikazano. Takoj zatem se tlak povečuje, tok zavira in vrne k statičnemu tlaku, kar se dobro vidi tudi na drugi sliki. Pri vpadnem kotu 12° je točka najnižjega tlaka pomaknjena bolj naprej in sega višje v negativno vrednost, pri vpadnem kotu 18° pa točka doseže že skoraj prvi rob profila. Skladno z Bernoullijevo teorijo sta tlak in hitrost toka povezana. Krivulje ne dajejo znaka ločitve toka zato profil deluje zmogljivo. Pri Re številu 400.000 mejna plast preide iz laminarne v turbulentno nekje pred najnižjo točko tlaka, kar prikazuje tretja risba. Pri nižjem Re številu 75.000 najdemo zelo različno porazdelitev tlaka.

Merjenje tlaka na profilu Göttingen 801 blizu kritičnega Re števila.

Pri vpadnem kotu 6° je točka najnižjega tlaka skoraj enaka, toda nadaljevanje krivulje med 40 in 76 % globine tetive kaže skoraj ravno črto. To pomeni skoraj konstanten tlak nad tem predelom, kar je značilno za dolg ločitveni mehur. Vendar je mejna plast nad mehurjem varna in se zopet dvigne. Pri vpadnem kotu 12° se mehur nahaja nekje na 30 % globine tetive, začne pa se na približno 38 %. Pri vpadnem kotu 18° je mehur veliko krajši. Profil je pri Re številu 75.000 blizu kritičnega stanja. Je še zmogljiv, toda veliko manj kot pri višjem Re številu. Nižanje Re števila ima že resen efekt.

Merjenje tlaka na profilu Göttingen 801 pri podkritičnem Re številu.

Celotni tok se loči že takoj za najnižjo točko tlaka in je nepovezan. Nekaj vzgona se sicer proizvede, toda pri večjem vpadnem kotu od 6° se na krilu poruši celotni vzgon. Upor profila se zelo poveča, zato tak profil ni primeren za model, ki leti pri tako nizkih Re številih.

KRITIČNO RE ŠTEVILO NA PROFILU
Vsak profil ima določeno kritično Re število, pri katerem je ločitev nepovezana. Nad kritičnim Re številom je krilo učinkovito, pod njim pa ne. Model, ki leti pri nižjem Re številu kot je kritično ni sposoben leteti.
Prve pomembne raziskave za modelarske profile je naredil F. W. Schmitz v Cologni v letih 1930. Rezultate je leta 1946 objavil v svoji knjigi Aerodynamik des Flugmodells. Zaradi druge svetovne vojne njegovo delo ni postalo splošno znano, zato pa je bilo zaslužno za nadaljna dela K. Kraemerja in G. Muessmana. Cilj je bilo zbiranje modelarskih profilov z nizkim Re številom.

HIPERTEZA
Originalni Schmitzov diagram je prikazan na risbi.

Rezultati testov, ki jih je opravil F. W. Schmitz na profilu N 60 pri vpadnem kotu 10° in Re številu od 20.000 do 165.000.
Risba prikazuje histerezno zanko med Re števili 82.000 in 147.000.

Natančno narejen profil N-60 je postavil v vetrovnik pod vpadnim kotom 10°, kjer s hitrostjo ventilatorja polagoma dviguje Re število. Koeficient vzgona, upora in momenta je bil merjen sproti z dviganjem Re števila. Vzgonska krivulja (cl) prikazuje čisto ločitev pri nižjih Re številih. Z večanjem Re števila se vzgon sicer nekoliko poviša, toda šele pri Re številu 147.000 krivulja preskoči na višjo vrednost. Ta preskok se ujema tudi v diagramu za upor (cd) in momentu (cm). Naslednji poskus je ponovil v obratnem vrstnem redu tako, da je Re število zmanjševal. Tokrat se je preskok zgodil šele pri Re številu 82.400. Ta razlika Re števil med katerimi se zgodi preskok je znana kot histerezna zanka. Schmitz je tako našel, ločen podkritični tok med Re števili 82.400 in 147.000, kar je zelo velik napredek za predstavo, če je tok turbulenten. V zračni tok pred krilom je vključil palico, tok je postal netrden in vzgon je narastel. Ko je umaknil palico, se je situacija vrnila v osnovno stanje. Pri različnih vpadnih kotih je bilo različno tudi kritično Re število. Schmitz je našel ločitev toka na profilu N-60, brez turbulatorja, pod Re številom 63.000 za katerikoli vpadni kot. Zato se to število imenuje kritično Re število za ta profil, čeprav se ločitev pri različnih vpadnih kotih dogodi pri različnem Re številu.
Schmitz je preizkušal tudi veliko debelejši, zelo ukrivljen profil Göttingen 625, ki naj bi imel višje kritično število kot profil N-60. Toda z uporabo turbulatorja v obliki žice montirane pred prvim robom je lahko kritično vrednost določil že pri 50.000. Ne N-60 in ne Göttingen 625 nista splošna med modelarji, čeprav sta značilna za zelo široko uporabo.
V letih 1958-59 je G. Muessman raziskoval profil za krake parne turbine in objavil teste za štiri spodaj ravne profile, ki se jim je spreminjala debelina in ukrivljenost. Profil je bil še najbližje profilu Göttingen 796. Za začetniške športne modele je zelo ugoden profil Clark Y, ki je zelo podoben profilu N-60 ali Gö 796, tudi splošno znan NACA 4412 je približno enak. Njegov 20 % debel profil, podoben profilu Gö 798, ima kritično Re število podobno kot enako debel profil Gö 625, nekoliko tanjši profil Gö 795 pa je pokazal le minimalno ločitev toka pri najmanjšem Re številu 38.000.
Ti rezultati so okrepili teste, ki jih je naredil Schmitz. Najbolj zmogljiv profil, ki ga je preizkušal Schmitz je bil Göttingen 417a, ki je ukrivljena plošča in nekoliko debelejši Göttingen 417b. V zbirki testov, ta profil pokaže zelo malo ločitve toka, njegovo kritično Re število pa je zelo nizko.
V zadnjem času zelo pomembno delo na področju histereze nosi University of Illinois pri Urbana–Champaign (UIUC), pod vodstvom Christiana A. Carroll, raziskovalno skupino pa vodi Michael Selig. Posamezni rezultati so prikazani na risbi.

Meritve histereze leta 1998 na univerzi Illions.

Profil S 1223 je zelo ukrivljen profil in dosega velike vzgonske koeficiente, na testu pa je bil postavljen v nepremičnem vpadnem kotu v vetrovnik, v katerem so simulirali Re število od 60.000 do 210.000. Pod Re številom 60.000 je tok popolnoma ločen in v podkritičnem stanju. Ko se Re število povečuje, ostaja vzgonski koeficient enako nizek vse do Re števila 160.000, kjer se zgodi prehod iz laminarnega v turbulentno strujanje. Vzgonski koeficient se ostro poveča na več kot 1,6. Ko se polagoma zmanjšuje Re število, je tok pritrjen vse do Re števila 100.000, ko se loči in vzgonski koeficient pade. Med Re števili 100.000 in 170.000 pokaže diagram zelo jasno histerezno zanko.
Krilo ali njegov del, ki leti pod pogoji ki se nahajajo v histerezni zanki, imajo zelo slabe lastnosti. Če zmanjšana zračna hitrost, sunek vetra ali dvig nosu modela lahko pripelje krilo v podkritično stanje, katerega zelo težko zapusti. Da dosežemo zopet enak vzgonski koeficient kot pred tem, moram hitrost modela zelo povečati, morda več kot dvakrat, da se krilo znajde zunaj histerezne zanke.
Tako odsekana ločitev toka in nepovezanost ima zelo velik efekt na stabilnost, saj se enako kot vzgon spremeni tudi moment krila. Če je krilo podvrženo takim prehodom v podkritično stanje moramo spremeniti profil ali uporabiti turbulator.

POLMER PREDNJEGA ROBA
Schmitz je dokazal, da je pri tankih profilih vzrok nizkega kritičnega Re števila kombinacija zelo majhnega premera prednjega roba in majhna zgornja ukrivljenost površine. Zastojna točka na prednjem robu je pri določenem vpadnem kotu zmeraj malo pod geometrijskim robom. Mejna plast začne pot proti vrhnji površini čez cel polmer prednjega roba. Pri velikem vpadnem kotu gre tok celo proti glavnemu toku.

Tok zraka na prednjem robu krila

Če ima profil gladek in lepo okrogel prednji rob, kot jih imajo vsi debeli profili, lahko mejna plast tej krivulji sledi in preostanek mejne plasti je laminaren. Če je premer prednjega roba majhen, kot pri tanjših profilih, mora tok premagati zelo ostro krivuljo ali celo koničast rob. Tok zelo ostro spremeni smer in pospeši proti točki najmanjšega tlaka. Vztrajnost mejne plasti lahko premaga lepljive sile pri nenadni spremembi smeri, nastane majhen ločitveni mehurček in tok se loči od površine. Majhen premer prednjega roba na ta način umetno ustvari razburkan zračni tok, ki pospeši zgodnji prehod, vendar prehod in nepovezanost nista trenutna. Ločitveni mehurček v mejni plasti se nahaja nekoliko za prednjim robom.

Objave iz iste kategorije: